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无线模块的天线性能如何优化?

2019-06-12 16:40 来源:ZLG立功科技·致远电子 编辑:电源网

在无线通讯模块的实际应用中,常常因为体积限制而不得不使用板载形式的天线。如果天线没有处理好,会大幅影响通讯效果。本文将为大家详细讲解如何通过细节的优化,发挥出无线模块的最佳性能。

一、背景

无线模块的传输距离,除了模块本身的性能之外很大程度取决于天线的使用。常用的天线有PCB天线、弹簧天线、陶瓷天线、棒状天线和吸盘天线等。不同的天线性能有差异,但是一样的天线不同的使用方式通信距离也会差几倍甚至几十倍。后面讨论影响的PCB天线性能的VSWR和辐射增益。

1. 天线基础

天线的基本定义:沿传输线的均匀段,两线间距远小于波长,能量以平面电磁波的模式导行,只有很少的损失(很少的辐射);沿传输线的渐变张开段,两线间距达到或超过波长的量级,波将向自由空间辐射而表现为天线的性质。

前段解释为白话:也就是如图1传输线与参考地这两根线张开了,这两根线就是天线;靠得近了两根线的电磁场相互抵消变成传输线如图2所示。文章讨论的是如何让传输线上的功率更有效率的传输。

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二、PCB天线从模块到应用

1. 带PCB天线模块

一般情况下对传输距离要求不高,但是对模块体积要求较高时。2.4GHz 频段常选用PCB天线。对于通信距离要求较高的则需要选用增益和效率较高的棒状天线和吸盘天线等。

供应商提供带PCB天线模块一般都是按照模块的地仿真调试的,如图3~图5辐射增益最大2.75dBi,2.4GHz频段的驻波比(VSWR)都小于2。

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图5 模块倒F天线VSWR图

2. 天线下方铺地

PCB天线只是天线偶极子的一端,并将板子的地作为天线的另外一端。在实际使用过程中需注意板子的地应与天线保持距离,避免天线的谐振改变而导致辐射效率降低。

在天线下方铺地仿真如图6~图9,天线的阻抗远离50Ω、辐射图增益只有-3 dBi。辐射增益比原来的小了将近6dB,并且驻波比也都远大于2。显然天线下方铺地会严重影响天线的辐射效率。

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图8天线下方铺地Smith图

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图9 天线下方铺地VSWR图

3. 天线下有介质

天线下方不铺地,但是介质不挖空,相对天线是下方介质厚度增加。而介电常数和介质厚度影响着传输波长,从而是导致天线频点偏移和辐射效率降低,如图10 ~ 图12所示。

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图12 天线下有介质VSWR图

4. 天线附近净空

天线下方地与介质都挖空,仿真结果几乎与模块仿真一致。如图13 ~ 图15所示,天线增益2.4dBi与原来之相差0.35dB,2.4GHz频段的驻波比也全部在2以下。在实际使用过程中,只需通过阻抗匹配微调天线频点,甚至在带宽较宽的情况下不需要重新调整匹配。

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图15 天线附近净空VSWR图

三、结论

天线在使用过程中应避免天线附近有其他物体避免影响天线的谐振点,导致辐射效率降低。特别注意天线旁边不能有地(包括电池),否则会大大降低天线的性能。

弹簧天线与PCB天线类似,将板子的地作为天线的另外一端。在比较靠近弹簧天线地方也不建议其他材质和铺地。弹簧天线与地之间比较理想的物理位置如图1所示,一边是地一边是天线,二者的延伸方向相反。

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